周尚哲:第四紀冰凍圈,全球變化長尺度研究

本文刊載於《中國科學院院刊》2020年第4期

專刊：冰凍圈科學與可持續發展

周尚哲1*趙井東2王傑3許劉兵1崔建新4歐先交5謝金明3

1 華南師範大學

2 中國科學院西北生態環境資源研究院

3 蘭州大學

4 陝西師範大學

5 嘉應學院

第四紀冰凍圈的研究目標是恢復過去 260 餘萬年來的冰凍圈演化歷史，認識其演化規律，以及探明其主導原因。因此，第四紀冰凍圈科學除了研究冰川、凍土、積雪等冰凍圈核心要素在第四紀期間的變化之外，凡反映冰凍圈變化的物理、化學、生物的各種沉積記錄與機理研究，以及與冰凍圈演變有因果關聯的其他天文、地質的研究也必然包括在內，這是冰凍圈滲透於其他四大圈層（巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈）的跨學科性質及長時間尺度所決定的。

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第四紀冰凍圈的研究意義

第四紀被定義為冰川紀，其基本特徵是冰期-間冰期交替。冰凍圈作為相對獨立又與其他四大圈層有密切聯繫的第五大圈層，其變化自然對其他圈層乃至整個地球系統有著舉足輕重的影響，特別是決定了地表過程的重大調整、生物圈的凋零與繁榮乃至物種的演替與進化。

我們現在處於全新世相對暖溼的時段，這個時段是整個第四紀氣候環境演化的延續。第四紀冰凍圈的研究可以使我們了解第四紀氣候環境變化的幅度、頻率及其原因與後果。掌握這些規律，有利於觀察和預測當前和未來氣候環境變化趨勢；尤其是在全球持續變暖的背景下，地球這個宇宙中的「諾亞方舟」到底駛向何方。第四紀冰凍圈的研究至少可以給出不同時間尺度上的極限幅度。

進一步參考末次間冰期、末次冰期間冰段和全新世大暖期，進行「古相似」（paleo-analogue）預估，幫助人類從容應對。人類誕生於上新世甚或中新世，其快速進化又幾乎與北半球歐美大冰蓋反覆出現的第四紀相對應。誕生於非洲的原始人類及後來的智人到底何時和如何走出非洲擴散於世界，人類形體、器官、大腦和智能的演進與冰凍圈的擴張與退縮有著怎樣的聯繫，都是重大科學問題，也隱含生動的人地關係真諦，對人類學、人文地理學都具有十分深遠的學術意義。

目前，由於全球變暖，二氧化碳排放受到前所未有的重視，加上人類對生存空間的無限制擴展，對自然環境的破壞、汙染，以及由此導致的生物種群的加速滅絕，迫使科學家提出一個「人類紀」（Anthropocene）的新概念。人類紀到底會是一個怎樣的紀元，人類到底在多大程度上突破自然規律的底線，需要以整個第四紀歷史作為背景來認知。因此，研究第四紀冰凍圈，不僅具有認知晚近地質歷史的科學意義，也為預知未來氣候環境變化提供背景坐標。

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第四紀冰凍圈研究內容

第四紀冰凍圈的研究內容大致可歸結為以下 7 個方面。

1

冰凍圈地貌和沉積。這是冰凍圈演化空間範圍和規模重建的基礎，包括冰川侵蝕地貌和冰川沉積、冰緣地貌和冰緣沉積、化石凍土等。此類地貌沉積遺蹟分布在高緯度、高海拔地區，以及海洋沉積中。

2

環境記錄。重建完整的第四紀冰凍圈變化幅度和環境特徵的依據，包括深海巖芯、極地冰芯、大陸黃土-古土壤、湖芯、石筍、樹輪等各種載體中的記錄。其環境信息反映在多種同位素、沉積物粒度、二氧化碳、孢子花粉、粉塵、碳酸鈣、磁化率、有機碳、硅藻、風化指數等一系列指標中。利用它們來揭示第四紀長時間尺度的氣候變化，並和冰凍圈地貌沉積提供的信息彼此印證，獲得規律性的認識。

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第四紀年代學。定年是支撐地貌、沉積和環境變化記錄的技術基礎，包括同位素定年（如鈾系法、鉀氬法、銣鍶法、碳 4 法等）、古地磁定年、電子自旋共振定年、釋光定年、宇宙核素定年等。這些定年技術各有優缺點，分別適合於測試不同沉積物和不同時段，它們的適用性和準確性也在不斷被探索、發展和完善中。

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建模與模擬。模型包括概念模型、物理模型和數學模型。模擬研究在諸如古雪線、凍土下限、古森林線的升降、大陸冰量增減、海平面漲落、預測未來等研究中應用廣泛。

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生物演化。生物演化與冰凍圈的變化息息相關，藉助於動、植物化石可以認識當時的氣候環境。例如，孢子花粉、猛獁象-披毛犀化石揭示西伯利亞在末次冰期曾經是廣闊的凍土苔原地帶，並且一直向南延伸到中國華北一帶。

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人類生存、進化與冰凍圈。由於人類主要是在第四紀進化而來，故對第四紀人地關係的研究具有重要的學術意義。這類研究目前尚受到古人類遺址數量的限制，但有很大的發展空間。

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冰凍圈變化的原因和驅動機制。這是從發掘記錄向理論認識的必然發展。內容包括：地外空間環境，如太陽系在銀河系中的運動、地球軌道參數變化和太陽黑子活動等；地球系統內部，如地殼運動、火山噴發、海洋與大氣能量傳輸、生物-氣候效應，以及人類幹擾等。

第四紀冰凍圈研究所涉及的內容廣泛而奧秘，由此引起的質疑和爭論經常是激烈而持久的，這符合科學發展的一般規律，更反映這門學科巨大的內在動力。

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更新世冰凍圈演化及其原因研究進展

冰凍圈是一個較新的概念，但其基礎研究卻已有相當的發展歷史。從 18 世紀初一些地質地理學者關注阿爾卑斯山冰川遺蹟開始，經過近 1 個世紀的考察探索，於 19 世紀初產生冰川學。20 世紀產生了阿爾卑斯山第四紀冰期經典模式。與此同時，冰期天文學說得到極大的發展。隨後，深海鑽探及巖芯記錄研究和年代學技術突飛猛進。迄今，我們對第四紀冰凍圈的變化有了比較清晰的認識。

1

約距今 35 Ma 南極大陸形成不穩定冰蓋，於距今 14 Ma 達到穩定。北半球距今 8 Ma 開始在冰期形成覆蓋型冰川，至距今 2.6 Ma 開始，冰期中穩定出現冰蓋，標誌全球進入大冰期。因此，國際上將第四紀時限定為距今 2.6 Ma。

2

第四紀期間，距今約 0.8 Ma 發生所謂中更新世轉型（Middle Pleistocene transtion，MPT）。MPT 之前為地軸傾角主導的 41 ka 周期，冰期時的冰川規模也普遍要小；之後轉為偏心率主導的 0.1 Ma 周期，幅度加劇。冰期最盛時，全球冰川面積達到 4500萬平方公裡，佔全球陸地面積的 30%，主體是北美冰蓋、歐亞冰蓋和南極冰蓋。而間冰期時，冰川面積只佔全球陸地面積約 10%，主體是南極冰蓋和格陵蘭冰蓋（圖 1）。

圖 1 冰期與現在冰川範圍對比 （a）和（c）分別為北半球和南半球冰期冰川情況；（b）和（d）分別為北半球和南半球現今冰川情況

在距今約 20 ka 的末次冰期最盛期，北半球多年凍土的面積達到 3350萬平方公裡（圖 2）。海平面下降 135 m。

圖 2 末次冰期北半球多年凍土分布

然而，0.1 Ma 周期的冰期旋迴中，冰川所達到的規模也不相同。例如，深海氧同位素（MIS）偶數階段所代表的冰期中，MIS2、MIS6、MIS12、MIS16 冰川規模很大，而 MIS8、MIS10、MIS14 等規模相對小（圖 3）。

圖 3 深海氧同位素記錄的第四紀冰凍圈變化

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冰期發生於軌道偏心率的低值時期，此時由於軌道趨於圓且長軸不變，一年中的平均日地距離增加，由此引起的地面太陽輻射要減少 0.8%。如果再疊加地軸傾角減小，就很有利於高緯度大陸冰蓋擴張——此時，歲差作用趨零。在偏心率高值期間的間冰期，歲差表現突出，如末次間冰期及大多數深海氧同位素奇數階段。

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末次冰期及其之後發生了一系列較短尺度的氣候變化記錄，即冰階-間冰階的交替。這些記錄不能用軌道參數變化理論來解釋，被稱之為「亞軌道尺度」變化。

業已發現的著名記錄有 D-O 事件、H 事件、Dryas 事件、BA 事件，以及全新世 8.2 ka 事件、新冰期、小冰期降溫。D-O 事件是格陵蘭冰芯記錄的冷暖旋迴，每一個暖期之後緊接著是一個冷期，溫度變化幅度達 5℃—8℃，持續數百年至 2 ka，平均周期為 1.5 ka。D-O 旋迴中，最冷期得到北大西洋「冰閥作用」沉積的冰磧層驗證，稱為 H 事件。

共發現 6 個期次的沉積，時間在距今 60.0—16.9 ka 前。H 事件被認為能引起海面溫度和鹽度降低，阻斷北大西洋熱鹽環流，進一步加劇大範圍降溫。H 事件與 D-O 旋迴事件均被認為是具有全球性意義的氣候事件。末次冰期結束過程中於距今 18.0—11.7 ka 發生 Dryas 降溫事件，被分為 oldest Dryas、older Dryas 和 younger Dryas（YD，即「新仙女木」）事件。這 3 次降溫事件被發生於距今 14.7—12.9 ka 的 2 個溫暖期分開，分別稱為B lling 事件和 Aller d 事件（即「BA 事件」）。新仙女木事件降溫幅度相當於冰期的 50%—75%。這次降溫後，才徹底進入冰後期，故而將新仙女木事件結束定為全新世的開始。

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全新世雖為間冰期，但冰凍圈仍然有頻繁波動。

西方學者 19 世紀後期就根據北歐孢粉資料劃分了全新世的氣候期，即前北方期（Pre-Boreal）、北方期（Boreal)、大西洋期（Atlantic）、亞北方期（Sub-Boreal）和亞大西洋期（Sub-Atlantic）。20 世紀中期提出 「Hypsithermal Interval」「Climatic Optimum」和「Thermal Maximum」等名稱定義全新世氣候中最溫暖的時期；並推算當時溫度較現代高 2℃—3℃。進一步研究發現全新世北大西洋地區發生過 9 次冷事件，時間分別為距今 10.3、9.4、8.2、5.9、4.2、4.0、2.8、1.4 和 0.4 ka。

這些事件出現的周期為 1 470±500 a，降溫幅度以 8.2 ka 事件強度最大，當時溫度低於現在 2℃—3℃。全新世冷期也導致各地山地冰川前進形成小規模冰磧壟，但這個尺度上的冰川前進具有較強的區域性（圖 4）。

圖 4 全球全新世以來冰進事件的時代

北半球主要發生在晚全新世，南半球則發生在早全新世。當然，這個結論還有待更多證據和更準確的年代數據來支持。

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冰期天文理論預言，在不計人類幹擾的情況下，下一次大冰期將於 60 ka 後發生，北半球最大冰量可能會達到 2700萬立方千米。

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第四紀冰凍圈與巖石圈運動

冰凍圈與巖石圈有密切的互動關係。地質歷史上的大冰期均與海陸板塊分布格局存在耦合。第四紀期間，全球大陸板塊分布格局雖無較大的變化，但新構造運動活躍區域，數千米的垂直抬升量則足以改變水熱環流，從而對冰凍圈產生重大影響和響應。

研究表明，歐洲阿爾卑斯山於新近紀已達海拔 2 500—3 000 m。距今 3.5 Ma 開始，部分較高的山地開始發育冰川。至 MPT，阿爾卑斯山大範圍進入冰凍圈並開始發育冰蓋。在南美安第斯山中部，古植物證據顯示 20 Ma 前時，平均海拔高度不足現代（3 700 m）的 1/3，自距今 12—9 Ma 至今，平均抬升幅度為 1705±695 m。在山地抬升的同時，氣候也在逐漸變冷，兩者的耦合導致了距今 7.0—4.6 Ma 巴塔哥尼亞地區發生冰川作用。至距今 1.2 Ma，巴塔哥尼亞地區形成了更新世最大的冰帽。隨著氣候的進一步變冷和山脈的逐漸抬升，安第斯山中低緯度地區也依次進入冰凍圈而發育冰川。安第斯山北部進入冰凍圈發育冰川的時間則要晚很多，最大範圍的冰川作用出現在 MIS8—MIS6。

研究表明青藏高原在上新世處於準平原狀態，大致海拔 1 000 m。距今 3.6 Ma 的上新世晚期發生「青藏運動」，開始新一輪隆升。經過 A、B、C 3 幕抬升和昆黃運動，在距今約 0.8 Ma，高原面達到 3 000 m 以上，高原殘山和周邊的山脈達到更高的高度，於 MPT 發生較大規模的冰川作用，標誌著此時高原進入了冰凍圈。此後繼續上升，每到冰期，冰川擴展，間冰期，冰川退縮。尤其是經過「共和運動」，高原逐漸接近現在的高度；即使到了間冰期，仍然能夠殘留大量的山地冰川，成為地球上低緯度冰凍圈的主體。

現已確定，青藏高原在更新世發生了希夏邦馬冰期、崑崙冰期、中梁贛冰期、古鄉冰期和大理冰期。這 5 次冰川作用期分別對應於 MIS22、MIS16、MIS12、MIS6 和 MIS4—MIS2。高原山地冰川對全新世新冰期、小冰期也有積極響應。

青藏高原隆升對冰凍圈有反饋作用。有學者認為，青藏高原抬升引起化學風化加強，消耗大氣中的二氧化碳，發生「冰室效應」而使氣候變冷，距今 2.6 Ma 北半球大冰蓋啟動很可能與此有關。也有學者推測，昆黃運動使青藏高原上升到 3 000 m 以上高度，不排除導致 MPT 事件可能性。這些大膽的推論，尚需要進一步探討。但是，這的確說明了第四紀冰凍圈與青藏高原隆升之間可能存在的聯繫。

顯而易見的是，青藏高原隆升造就了中國三級階梯的大地貌格局和世界上最強大的亞洲季風氣候系統，表現出最典型的三向地帶性，形成中國三大自然區域，深刻影響了中國乃至整個亞洲的氣候環境。

冰凍圈與巖石圈之間的互動還反應在地殼均衡構造方面。冰蓋足夠強大時，導致地殼下沉，退縮後引起地殼回升。例如，在更新世冰川作用最盛時，勞倫泰冰蓋中心區的均衡下沉幅度可能超過了 900 m。冰期之後大冰蓋區普遍出現反彈抬升。例如，北美曾抬升 300 m 左右，芬諾斯坎底亞抬升 307 m。在哈德遜灣的東南角，全新世期間的平均抬升速率超過了 30 m / ka，現在仍然有 13 m / ka。全新世早期的抬升速率應該遠超過 30 m / ka。

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第四紀生物與人類對冰凍圈變化的適應

第四紀在生物演化史上是個比較短暫的時段。然而，與第三紀相比，第四紀時木本植物減少而草本植物增加；木本植物中耐寒的落葉、闊葉和針葉種增加，被子植物空前繁榮；植物群落多次遷移，經向變動幅度達 10度以上，垂直帶譜上下移動達到 1 000 m 以上，這標誌著第四紀冰凍圈壓縮與擴張的程度。

動物界在哺乳動物方面主要表現為三趾馬、軛齒象、劍齒象、劍齒虎動物群的滅絕，以及真象、真牛、真馬的出現。原有部分種群向南方遷徙，得以延續。

冰期中，也發展出特有的生物種群，形成新的生態系統。例如，西伯利亞形成凍土-苔原地帶，一度成為披毛犀-猛獁象生存王國。另外，也有少數物種在度過極端的冰期嚴酷環境後倖存下來，被稱作「活化石」，如銀杏、銀杉、水杉、水松、臺灣杉、金錢松，大熊貓、金絲猴、揚子鱷、白鰭豚等。我國長江流域保存這些孑遺物種的區域被稱作動、植物「避難所」，這也表明長江流域冰期環境尚未達到過於嚴酷的程度。

人類起源於非洲，在第四紀早期曾有限擴散。在喬治亞、土耳其、以色列、印尼、越南、德國、匈牙利、捷克、阿爾及利亞、摩洛哥、中國（藍田人、元謀人、北京人）發現零星化石或石器。直到晚更新世末次間冰期才有較大規模擴散。末次冰期海平面降低，人類通過大陸橋擴散到美洲和澳洲。尼安德特人在生存鬥爭中滅亡，而克羅馬農人延續並成為現今人類祖先。這種遷徙和自然選擇的過程都與冰凍圈冰期-間冰期演變不無關係。特別有趣的是，廣譜革命、細石器、栽培、馴養、紡織、制陶等生活、生產技能接踵湧現都與新仙女木事件之後的氣候變暖相聯繫。從此，農業社會便蓬勃地發展起來。

工業革命開始，人類將地球巖石圈數億年間積累的有機能源快速釋放於大氣圈，全球增溫致冰凍圈快速退化。人類生產生活行為也使巖石圈（土壤）、水圈、大氣圈全方位汙染，再加上生存空間競爭，造成生物物種大量滅絕，其滅絕速度與規模遠超地質史上已發生過的任何自然滅絕事件。人類對地球系統的影響達到如此嚴重的程度，迫使科學家們提出人類紀概念以示告誡——人類操縱下的地球這個「諾亞方舟」到底駛向何方？

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思考與建議

中國在第四紀冰凍圈的研究中取得了長足的進展：基本查清了青藏高原及周邊山系的第四紀冰川、凍土分布及其規律，重建了冰期序列，摸清了高亞洲冰凍圈與全球冰期和青藏高原抬升的耦合關係。然而，這種基礎研究仍需要大力推進。筆者認為近期有以下 3 個方面的工作亟待展開。

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青藏高原及周邊山脈冰川與冰川地貌航拍資料庫的建立

現在的無人機航拍技術已很發達，能夠滿足高分辨地貌辨識，十分適合於無植被冰雪帶地貌航拍。因此，亟待利用這一新手段對冰川及其地貌進行系統航拍，建立基礎圖庫。這既是現代冰川、積雪動態檢測所需，也是冰川冰緣地貌、第四紀冰期序列細化研究所必需。這樣一套基礎資料的建立必將極大推進研究和預估水平。建議國家自然科學基金委員會和中國科學院設立重大項目完成這一工作。

2

展開冰緣地貌遺蹟普查工作，填製冰緣遺蹟分布圖

這項工作迄今沒有系統進行，人們對冰緣遺蹟的了解停留在「順手牽羊」認知的狀態。我國青藏高原及周邊山脈、東北與華北廣泛分布的古冰緣遺蹟對於弄清第四紀尤其是末次冰期環境及預估未來有特別重要的意義，也十分有助於進一步說明「青藏高原大冰蓋論」和中國東部所謂「低海拔冰川」的真偽問題。如今交通、設備、人才各方麵條件都已具備，建議這項工作應儘快開展。

3

清理中國東部部分名山疑似古冰川以誤導公眾的問題

第四紀冰凍圈的研究中涉及中國東部所謂「低海拔第四紀冰川」問題。由於早期產生的錯誤觀點加上少數人的堅持，以及旅遊經濟發展的需要，一些名山以似是而非的「冰川遺蹟」做招牌招徠遊客，極大地誤導了遊客和公眾。甚至發生四川彭州錯誤地將「八角鎮」改名為「冰川鎮」而不能重新改回的荒唐事。建議中國科協組織專家組配合當地政府和旅遊部門清理這方面的問題，以糾正錯誤、正本清源，把公眾視聽引向健康的科學軌道。

周尚哲華南師範大學地理科學學院教授。研究工作主要涉及青藏高原及相鄰山脈第四紀冰川與環境演變等。

文章源自：

周尚哲,趙井東,王傑,許劉兵,崔建新,歐先交,謝金明.第四紀冰凍圈——全球變化長尺度研究.中國科學院院刊,2020,(4):475-483.

總監製：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：江淼

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